projeto de sistemas hidráulicos

Projetos de Sistemas

Hidráulicos

Projeto 1 e Projeto 2

MP-706

Denival Ferreira Soares Junior

Gustavo Pires de Almeida

PEE – Turma 19

http://www.aer.ita.br/node/896

MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos 2

1. INTRODUÇÃO

O sistema hidráulico de uma aeronave é responsável por ativar diversas

funções como por exemplo: superfícies de controle (flaps, slats, multi-functional

spoilers, ground spoilers, ailerons, leme), trem de pouso, freios, etc.

A instalação de um sistema hidráulico em uma aeronave tem diversas

vantagens em termos de fornecimento de potência, como a combinação de baixo

peso, fácil instalação, simplificação para inspeção, possui eficiência de quase 100%

com apenas algumas perdas negligenciáveis devido ao atrito do fluido, entre

outras.

Por ter uma participação em funções críticas da aeronave em praticamente

todo o envelope de voo, é fundamental que seus componentes sejam devidamente

analisados e especificados, preferencialmente com um forte trabalho de

modelagem e simulação, para a compreensão dos fenômenos físicos que regem o

comportamento do sistema.

É importante portanto, no processo de simulação, identificar os parâmetros

que são cruciais para a especificação de cada componente do sistema hidráulico,

como atuadores, bombas, válvulas, etc.

2. OBJETIVO

O presente trabalho visa, por meio de simulação, identificar os parâmetros do

sistema hidráulico (pressão, temperatura, etc) de uma aeronave, a fim de

especificar componentes e otimizar o projeto do sistema (tubulações, bombas,

etc), com auxílio do software AMESim Rev 11.

3. DESENVOLVIMENTO PROJETO 1

Na primeira etapa do desenvolvimento do projeto, foi feita a simulação de

apenas uma bomba a fim de se levantar a curva característica de Vazão x Pressão e

responder alguns itens relacionados à variações dos parâmetros de simulação.

O modelo utilizado para este levantamento é mostrado a seguir.


Figura 1 – Modelo para simulação de bomba de deslocamento variável

O primeiro item a ser checado foi da curva característica da bomba. Os

seguintes parâmetos de simulação foram utilizados:

Figura 2 – Parâmetros de simulação para levantamento de curva característica – motor


Figura 3 - Parâmetros de simulação para levantamento de curva característica – bomba

Figura 4 - Parâmetros de simulação para levantamento de curva característica – Sinal de entrada


O primeiro item a ser verificado é com relação ao modelo da bomba e

levantamento da curva de f(q), ou seja, vazão da bomba em função do diferencial de

pressão. O resultado obtido com a simulação é mostrado na imagem abaixo.

Figura 5 – Curva característica f(q) da bomba obtida por simulação

Figura 6 – Curva característica f(q) da bomba retirada do catálogo de bombas Vickers.


Pode-se notar que a curva obtida por simulação do modelo da bomba

apresenta semelhança com a curva fornecida em catálogo. Isto valida o modelo

utilizado para levantamento dos dados.

O segundo item a ser atendido na simulação é a verificação do comportamento

da curva característica variando os parâmetros de rotação da bomba. Pede-se para

analisar o resultado de uma rotação no motor maior e menor que a rotação nominal

da bomba. O resultado da simulação é mostrado abaixo.

Figura 7 – Comparação entre as curvas variando a rotação do motor

Em vermelho temos a curva da bomba com rotação do motor igual à rotação

nominal da bomba. Em verde nota-se que a vazão e o diferencial de pressão estão

maiores que os dados nominais, e isto foi obtido utilizando rotação de motor maior

que a rotação nominal da bomba. Em azul, a rotação adotada para o motor é menor

que a rotação nominal da bomba, resultando em menores vazão e diferencial de

pressão.

Isso ocorre pois a vazão da bomba é função de seu deslocamento volumétrico

(cm3/rot) e rotação do eixo do motor (rpm) acoplado à bomba. Porém, utilizar um

motor de rotação superior à rotação nominal da bomba pode prejudicar seus

componentes e, consequentemente sua vida util.


O próximo item é verificar os valores obtidos de pressão e vazão com as

configurações default do AMESim.

Figura 8 – Gráfico de vazão com valores default do AMESim

Figura 9 – Gráfico de pressão com valores default do AMESim


Pelos diagramas apresentados, nota-se que o valor de vazão fica estabalizado

em um valor de aproximadamente 50 L/min. Já o diagrama de pressão mostra uma

rampa crescente, o que significa que o valor de pressão não se estabaliza em um valor

fixo. Isso se deve pelo fato de que o sinal de entrada de pressão adotado ser uma

rampa.

Figura 10 – Gráfico de vazão x pressão alterando o ‘scale factor’ da bomba

O gráfico acima está relacionado com a análise da variação do ‘scale factor’ da

bomba na curva f(q). Em primeiro momento foi variado o scale factor para a razão de

fluxo na bomba (scale factor for flow rate).

Em vermelho temos a curva referência com parâmetros de simulação

anteriormente mostrados. Em verde, com a alteração do scale factor for flow rate da

bomba, nota-se que ha uma redução na vazão fornecida com variação do diferencial

de pressão. Em azul, a alteração no scale factor for pressure difference proporcionou

uma variação da pressão sem afetar a vazão fornecida.


Dessa forma podemos estabelecer uma metodologia para seleção de uma

bomba do catálogo através da relação da vazão e pressão máximas de simulação com

as máximas fornecidas em catálogo, de maneira a utilizar essa relação como sendo o

scale factor do modelo da bomba no AMESim.

Projeto 1 – Sistema 1

Figura 11 – Esquema proposto do sistema 1

Sistema 1

L01 4170

L02 4440

L03 1450

L04 2460

L05 940

L06 1000

L07 3040

L08 9060

L09 3040

L10 13440

L11 2200


L12 4950

L13 2340

L14 1360

L15 2040

L16 9020

Tabela 1 - Comprimento das tubulações do sistema hidráulico 1 (em mm).

Parâmetro Valor Unidade

dash4_wall_Al 0,889 mm



dash4_wall_Ti 0,4 mm



YoungMod_Aluminio 1,02E+11 psi

YoungMod_Titanio 1,80E+10 psi

dash4_roughness_Al (1,5/(6,35-2*0,889))/10**9 null



dash4_roughness_Ti (1,5/(6,35-2*0,4))/10**9 null



dash4_diameter 6,35 mm



Tabela 2 - Dados das Tubulações

Com os dados apresentados foi elaborado modelo AMESim conforme mostrado abaixo.


Figura 12 - Modelo AMESim do sistema 1

O primeiro item a ser atendido no projeto é o dimensionamento das bombas

EDP e ACMP de acordo com a tabela do arquivo Demanda_hidraulica.xls.

Nesta tabela do arquivo, nota-se que a bomba EDP de cada sistema opera com

rotações variáveis, e por isso, devem obedecer essa rotação e suprir o sistema, uma

vez que a vazão fornecida depende da rotação do motor.

Time 0,00 9,70 10,00 11,00 11,30 12,30 12,60 19,70

Profile EDP 66% 66% 95% 95% 95% 95% 66% 66%

Profile ACMP 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%

Tabela 3 - Tabela com perfil de operação das bombas EDP e ACMP

Abaixo, as tabelas 3 e 4 indicando os perfis de vazão ao longo do tempo e as

máximas vazões para cada bomba (EDP e ACMP) para o sistema 1.

Para a seleção das bombas, foi feito o balanço do sistema a fim de se levantar a

máxima vazão exigida pelo sistema, através da soma das vazões nos nós das

tubulações.


De acordo com o esquema mostrado na figura 11, é facil demonstrar que:

Dessa forma, estima-se a máxima vazão requerida para cada momento da

simulação, com tempo variando de 0 a 180 s, conforme indicado na tabela 3 abaixo.

Tabela 3 - Perfis de vazões ao longo do tempo


Máxima Vazão ACMP 7,24

Valores máximos de vazão para seleção das bombas [gpm]

Máxima Vazão EDP 10,05

Tabela 4 - Tabela com valores de vazão máxima de cada bomba do sistema 1

De acordo com a Tabela 4, pode-se verificar uma vazão máxima para a bomba

EDP do sistema 1 de 10,05 gpm (~38,05 lpm) e de 7,24 gpm (~27,41 lpm) para a bomba

ACMP. Tendo essa vazão máxima requerida, o catálogo Vickers recomenda considerar

um rendimento volumétrico para bombas de 3000 psi de 96%, sendo assim:

gpmQTeo 47,1096,0

05,10

gpmQTeo 55,796,0

24,7

Tabela 5 - Tabela de bombas - catálogo Vickers


Com os valores obtidos no cálculo das vazões teóricas e, analisando a tabela encontrada no catálogo de

bombas Vickers, as bombas selecionadas para o sistema 1 são: PV3-032 para EDP e PV3-022 para ACMP,

cujos dados estão listados abaixo.

Dados da bomba PV3-032:

•Máximo deslocamento volumétrico: 0,32 in3/rev.

•Velocidade: Normal – 9.000 rpm/Máxima sobre carga – 11.250 rpm

•Vazão teórica (velocidade normal): 12,47 gpm (47,19 lpm)

•Peso: 2,7 kg

Dados da bomba PV3-022:

•Máximo deslocamento volumétrico: 0,22 in3/rev.

•Velocidade: Normal – 10.000 rpm/Máxima sobre carga – 12.500 rpm

•Vazão teórica (velocidade normal): 9,52 gpm (36,05 lpm)

•Peso: 2,1 kg

Com os dados da bomba selecionada, foi elaborado o modelo mostrado na figura 11. Os

resultados de simulação obtidos com auxílio do AMESim seguem abaixo.

Figura 13 - Perfil de rotação do motor da bomba EDP


Figura 14 - Comportamento da pressão na saída da bomba EDP ao longo do tempo

Figura 15 - Comportamento da pressão na saída da bomba ACMP


Figura 16 - Comportamento da pressão no sistema (bombas + tubulação)

Figura 17 - Visão aumentada do comportamento da pressão no sistema no intervalo de 0 a 160s


Para uma primeira simulação foi utilizado diâmetro e material padrão para toda a tubulação. O

diâmetro adotado foi Dash 8 e o material foi titânio (vide informações em Tabela 1).

Analisando os resultados de simulação obtidos, verifica-se que a pressão do sistema mínima é

de aproximadamente 189 bar (~2740 psi) e a máxima não ultrapassa o valor de 215 bar (~3120 psi), o

que garante afirmar que o sistema está devidamente dimensionado, uma vez que os requisitos de

pressão mínima e máxima para o sistema são de 2400 psi (~166 bar) e 3600 psi (~248 bar),

respectivamente.

Dessa maneira, pode-se realizar um trabalho de otimização visando diminuir o peso do sistema

e consequentemente da aeronave.

Utilizando dos valores disponíveis na tabela 2 foram estimados os pesos das tubulações

variando material e diâmetro para otimização do sistema.

Abaixo, tabelas com cálculos de pesos para cada valor de diâmetro, espessura de parede e

material de tubo.

L01 27,70130738 4170 0,52 L01 37,95239018 4170 0,43

L02 27,70130738 4440 0,55 L02 37,95239018 4440 0,45

L03 27,70130738 1450 0,18 L03 37,95239018 1450 0,15

L04 27,70130738 2460 0,31 L04 37,95239018 2460 0,25

L05 27,70130738 940 0,12 L05 37,95239018 940 0,10

L06 27,70130738 1000 0,12 L06 37,95239018 1000 0,10

L07 27,70130738 3040 0,38 L07 37,95239018 3040 0,31

L08 27,70130738 9060 1,13 L08 37,95239018 9060 0,93

L09 27,70130738 3040 0,38 L09 37,95239018 3040 0,31

L10 27,70130738 13440 1,68 L10 37,95239018 13440 1,38

L11 27,70130738 2200 0,27 L11 37,95239018 2200 0,23

L12 27,70130738 4950 0,62 L12 37,95239018 4950 0,51

L13 27,70130738 2340 0,29 L13 37,95239018 2340 0,24

L14 27,70130738 1360 0,17 L14 37,95239018 1360 0,14

L15 27,70130738 2040 0,25 L15 37,95239018 2040 0,21

L16 27,70130738 9020 1,13 L16 37,95239018 9020 0,92

8,11 6,65Peso Total Estimado (kg) Peso Total Estimado (kg)

Peso Estimado

(kg)

Identificação da

Tubulação

Área [Dext-

Dint] (mm²)

Identificação da

Tubulação

Área [Dext-

Dint] (mm²)

Comprimento

(mm)

TITANIO - DENSIDADE 4507 kg/m³ ALUMÍNIO - DENSIDADE 2697 kg/m³

ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - DASH 8

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)

Tabela 6 – Estimativa de pesos para tubulação dash 8


L01 15,08718456 4170 0,28 L01 29,0850093 4170 0,33

L02 15,08718456 4440 0,30 L02 29,0850093 4440 0,35

L03 15,08718456 1450 0,10 L03 29,0850093 1450 0,11

L04 15,08718456 2460 0,17 L04 29,0850093 2460 0,19

L05 15,08718456 940 0,06 L05 29,0850093 940 0,07

L06 15,08718456 1000 0,07 L06 29,0850093 1000 0,08

L07 15,08718456 3040 0,21 L07 29,0850093 3040 0,24

L08 15,08718456 9060 0,62 L08 29,0850093 9060 0,71

L09 15,08718456 3040 0,21 L09 29,0850093 3040 0,24

L10 15,08718456 13440 0,91 L10 29,0850093 13440 1,05

L11 15,08718456 2200 0,15 L11 29,0850093 2200 0,17

L12 15,08718456 4950 0,34 L12 29,0850093 4950 0,39

L13 15,08718456 2340 0,16 L13 29,0850093 2340 0,18

L14 15,08718456 1360 0,09 L14 29,0850093 1360 0,11

L15 15,08718456 2040 0,14 L15 29,0850093 2040 0,16

L16 15,08718456 9020 0,61 L16 29,0850093 9020 0,71

4,42 5,09



Identificação da

Tubulação

Área [Dext-

Dint] (mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)

Identificação da

Tubulação

Área [Dext-

Dint] (mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)

Peso Total Estimado (kg) Peso Total Estimado (kg)


L01 8,482300165 4170 0,16 L01 20,21762842 4170 0,23

L02 8,482300165 4440 0,17 L02 20,21762842 4440 0,24

L03 8,482300165 1450 0,06 L03 20,21762842 1450 0,08

L04 8,482300165 2460 0,09 L04 20,21762842 2460 0,13

L05 8,482300165 940 0,04 L05 20,21762842 940 0,05

L06 8,482300165 1000 0,04 L06 20,21762842 1000 0,05

L07 8,482300165 3040 0,12 L07 20,21762842 3040 0,17

L08 8,482300165 9060 0,35 L08 20,21762842 9060 0,49

L09 8,482300165 3040 0,12 L09 20,21762842 3040 0,17

L10 8,482300165 13440 0,51 L10 20,21762842 13440 0,73

L11 8,482300165 2200 0,08 L11 20,21762842 2200 0,12

L12 8,482300165 4950 0,19 L12 20,21762842 4950 0,27

L13 8,482300165 2340 0,09 L13 20,21762842 2340 0,13

L14 8,482300165 1360 0,05 L14 20,21762842 1360 0,07

L15 8,482300165 2040 0,08 L15 20,21762842 2040 0,11

L16 8,482300165 9020 0,34 L16 20,21762842 9020 0,49

2,48 3,54



Identificação da

Tubulação

Área [Dext-

Dint] (mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)

Identificação da

Tubulação

Área [Dext-

Dint] (mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)



Analisando as tabelas 6, 7 e 8 podemos notar que, para a tubulação dash 8

(diâmetro de 12,7 mm e espessura de parede 0,66 mm para tubos de titânio e 0,889

mm para tubos de alumínio) a melhor opção de material é o alumínio, tendo uma

redução de peso de aproximadamente 18% em relação aos tubos de titânio. Essa

estimativa foi tomada a partir dos valores de densidade de cada material, bem como

os valores de volumes calculados a partir dos dados fornecidos.

Já para as tubulações dash 6 e dash 4, a melhor opção é o titânio, tendo em

vista que ao reduzir o diametro da tubulação, houve também redução da espessura de

parede (ao contrário da tubulação de alumínio que manteve a mesma espessura de


parede para todas as opções de diâmetro), reduzindo o volume de material utilizado e,

consequentemente seu peso.

Dessa forma, reduzindo o diâmetro de toda a tubulação para o padrão dash 4 e

foi mantido o material como sendo titânio.

Abaixo o resultado da nova simulação.

Figura 18 – Comportamento da pressão na saída da bomba EDP (Tubulação dash 4)


Figura 19 – Comportamento da vazão do sistema fornecido pela EDP (Tubulação dash 4)

Figura 20 – Comportamento da pressão na saída da bomba ACMP (Tubulação dash 4)


Figura 21 – Comportamento da vazão do sistema fornecido pela ACMP (Tubulação dash 4)

Figura 22 - Comportamento da pressão no sistema (Tubulação dash 4)

Observando os resultados da nova simulação para a nova tubulação, pode-se

observar que a pressão do sistema ao se analisar todos os pontos, atinge um valor


abaixo do valor mínimo exigido nas premissas de projeto (~166 bar). Isso se deve à

perda de carga do escoamento ao longo de toda a tubulação.

Para se encontrar a melhor combinação de parâmetros para o sistema, foram

selecionadas as tubulações de recalque das bombas e as tubulações de acionamento

dos atuadores do leme superior e do profundor ext. direito (tubulações essas, sujeitas

às maiores e menores pressões do sistema, respectivamente).

Foi utilizado o comando de simulação em “batch” do software AMESim para

verificar o comportamento da pressão do sistema às diversas combinações de

diâmetros de tubulação.

De acordo com a simulação, algumas combinações nos valores de diâmetros

ainda apresentaram pressão inferior à mínima estabelecida (~166 bar), o que

inviabiliza a utilização dessas combinações.

Abaixo os resultados de simulação apresentados.

Figura 23 - Comportamento da pressão no sistema (Simulação em Batch)


Figura 24 - Comportamento da pressão no sistema ampliado no intervalo de 0 a 170 s (Simulação em

Batch)

Figura 25 - Comportamento da pressão no sistema com parâmetros otimizados (Simulação em Batch)


Acima temos o resultado de simulação utilizando os melhores parâmetros.

Pode-se verificar que para todas essas simulações, o resultado de pressão do sistema

foi satisfatório, permitindo selecionar a melhor combinação de parâmetros com menor

variação de pressão (em outras palavras, menor perda de carga) e menor peso para a

tubulação, parâmetros esses obtidos pela simulação número 14.

Esses parâmetros estabelecem uma tubulação de diâmetro dash4 para

alimentação do leme superior e profundor ext. direito e dash6 para as demais.

L01 15,08718456 4170 0,28 L01 29,0850093 4170 0,33

L02 15,08718456 4440 0,30 L02 29,0850093 4440 0,35

L03 15,08718456 1450 0,10 L03 29,0850093 1450 0,11

L04 15,08718456 2460 0,17 L04 29,0850093 2460 0,19

L05 15,08718456 940 0,06 L05 29,0850093 940 0,07

L06 15,08718456 1000 0,07 L06 29,0850093 1000 0,08

L07 15,08718456 3040 0,21 L07 29,0850093 3040 0,24

L08 15,08718456 9060 0,62 L08 29,0850093 9060 0,71

L09 15,08718456 3040 0,21 L09 29,0850093 3040 0,24

L10 15,08718456 13440 0,91 L10 29,0850093 13440 1,05

L11 8,482300165 2200 0,08 L11 20,21762842 2200 0,12

L12 8,482300165 4950 0,19 L12 20,21762842 4950 0,27

L13 15,08718456 2340 0,16 L13 29,0850093 2340 0,18

L14 15,08718456 1360 0,09 L14 29,0850093 1360 0,11

L15 15,08718456 2040 0,14 L15 29,0850093 2040 0,16

L16 15,08718456 9020 0,61 L16 29,0850093 9020 0,714,20 4,92

Identificação da

Tubulação

Área [Dext-Dint]

(mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)


ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - Seleção Final


Identificação da

Tubulação

Área [Dext-Dint]

(mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)

Tabela 9 – Estimativa de pesos com parâmetros otimizados

Dessa forma, o material utilizado, baseado na tabela 9 é titânio e o sistema 1

fica assim definido, e apresenta menor peso e comportamento de pressão conforme

gráfico a seguir.


Figura 26 – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros otimizados

Após a simulação com os parâmetros otimizados, foi incluído no sistema o

acumulador. A fim de se verificar o comportamento da pressão do sistema com a

inclusão do acumulador, foi feita nova simulação e os resultados são apresentados

abaixo.

Pode-se notar que a pressão do sistema ficou pouco mais homogênea e com

menos variações em certos trechos, dado que o acumulador tem a função de manter a

pressão de operação do sistema.


Figura 27 – Modelo do sistema com acumulador

Figura 28 – Comportamento da pressão do sistema (linhas críticas) com acumulador




Sistema 2

L01 4050

L02 4230

L03 1650

L04 1460

L05 870

L06 980

L07 12900

L08 5050

L09 3040

L10 4940

L11 2100

L12 1950

L13 2340

L14 3360

L15 1040

L16 2020

Tabela 10 - Comprimento das tubulações do sistema hidráulico 2 (em mm).


Da mesma maneira que o sistema 1, com os dados fornecidos foi elaborado um

modelo para simulação no AMESim, conforme ilustrado abaixo.

Figura 30 - Modelo AMESim do sistema 2

Com base na tabela do arquivo demanda hidráulica, assim como feito para o sistema 1,

foram selecionadas as bombas para os sistema 2 de acordo com as máximas vazões,

conforme mostrado abaixo.

Máxima Vazão EDP 15,24



Tabela 11 - Tabela com valores de vazão máxima de cada bomba do sistema 2

Considerando o rendimento volumétrico das bombas de catálogo de 96%, o cálculo da

vazão teórica foi feito e as bombas selecionadas conforme mostrado abaixo.


Com esses valores de vazão as bombas selecionadas foram PV3-032 para ACMP

e PV3-049 para EDP.

Abaixo, as especificações das bombas:

ACMP – PV3-032:

Máximo deslocamento volumétrico: 0,32 in3/rev.

Velocidade: Normal – 9.000 rpm/Máxima sobre carga - 11.250 rpm

Vazão teórica (velocidade normal): 12,47 gpm (47,19 lpm)

Peso: 2,7 kg

EDP – PV3-049:

Máximo deslocamento volumétrico: 0,488 in3/rev.

Velocidade: Normal – 8.800 rpm/Máxima sobre carga – 11.000 rpm

Vazão teórica (velocidade normal): 18,60 gpm (70,40 lpm)

Peso: 2,9 kg

Abaixo, na figura 29, pode-se notar o comportamento do sistema para a simulação simples,

apenas utilizando os parâmetros relativos às características das bombas e tubulação de alumínio com

diâmetro uniforme de dash 8 (12,7 mm).


Figura 31 – Comportamento da pressão do sistema (Single run)

Figura 32 - Comportamento da pressão no sistema (Simulação em Batch)


Figura 33 – Ampliação no comportamento da pressão no sistema (Simulação em Batch)

Como mostrado nos gráficos das simulações em batch da tubulação, pode-se

notar que algumas configurações de diâmetros atingem níveis de pressão abaixo do

valor exigido em projeto (~166 bar).

Analisando as combinações, buscando agora não mais a menor variação de

pressão no sistema, mas sim a que, com menor diâmetro de tubulação, ficasse entre

os limites de pressão especificados, a fim de otimizar em relação ao peso.

Com esse critério, abaixo o gráfico com o comportamento de pressão do

sistema da simulação em batch com combinações de menores diâmetros nos trechos

mais críticos do sistema (saídas das bombas e linha de alimentação do profundor),

onde existem maiores pressões devido ao bombeamento do fluido e menores

pressões devido às perdas de carga. Pode-se verificar que em alguns casos, os

resultados apresentaram valor de pressão inferiores aos requeridos de projeto.

Isso significa que, apesar de otimizado em relação ao peso, o sistema não

apresenta as características necessárias para a operação.


Figura 34 – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros otimizados (Simulação em Batch)

Retirando da simulação os parâmetros referentes a essa pressão fora do especificado, obtém-

se os resultados conforme figura abaixo.

Figura 35 – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros otimizados (Simulação em Batch)


Pode-se notar que as simulações que apresentaram melhores resultados foram as de número

14 e 18, sendo destas a que melhor apresenta valores para otimizar o sistema em relação ao seu peso a

de número 14 que estabelece diâmetro de tubulação de 6,35 mm para linhas de alimentação dos

profundor e 9,525 mm para o restante da tubulação do sistema.

Abaixo uma tabela com estimativa de peso do sistema otimizado.

L01 15,08718456 4050 0,28 L01 29,0850093 4050 0,32

L02 15,08718456 4230 0,29 L02 29,0850093 4230 0,33

L03 15,08718456 1650 0,11 L03 29,0850093 1650 0,13

L04 15,08718456 1460 0,10 L04 29,0850093 1460 0,11

L05 15,08718456 870 0,06 L05 29,0850093 870 0,07

L06 15,08718456 980 0,07 L06 29,0850093 980 0,08

L07 15,08718456 12900 0,88 L07 29,0850093 12900 1,01

L08 15,08718456 5050 0,34 L08 29,0850093 5050 0,40

L09 15,08718456 3040 0,21 L09 29,0850093 3040 0,24

L10 15,08718456 4940 0,34 L10 29,0850093 4940 0,39

L11 15,08718456 2100 0,14 L11 29,0850093 2100 0,16

L12 15,08718456 1950 0,13 L12 29,0850093 1950 0,15

L13 15,08718456 2340 0,16 L13 29,0850093 2340 0,18

L14 8,482300165 3360 0,13 L14 20,21762842 3360 0,18

L15 8,482300165 1040 0,04 L15 20,21762842 1040 0,06

L16 15,08718456 2020 0,14 L16 29,0850093 2020 0,163,40 3,97

Identificação da

Tubulação

Área [Dext-Dint]

(mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)


ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - Seleção Final


Identificação da

Tubulação

Área [Dext-Dint]

(mm²)

Comprimento

(mm)

Peso Estimado

(kg)

Tabela 11 - Tabela de estimativa de peso da tubulação do sistema

De acordo com a tabela 11, pode-se especificar o material a ser utilizado na

elaboração do sistema 2 que, de acordo com a tabela tem-se a seleção do material de

titânio que apresenta menor peso.

Abaixo a última simulação feita com os parâmetros selecionados.


Figura 36 – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros escolhidos

Com o gráfico acima, pode-se notar que a pressão do sistema atendeu aos requisitos de projeto.




Pode-se verificar, comparando o sistema com e sem acumulador, que os picos

de pressão são alterados, isso é, no sistema sem acumulador nota-se que existem

picos de baixa pressão devido a perda de carga durante acionamento dos atuadores. Já

no sistema com o acumulador, como possui uma ‘reserva’ de pressão, os picos de

baixa pressão somem, dando origem aos picos de alta pressão devido a alimentação

do sistema pelo acumulador.

Mesmo com esses picos de pressão, o sistema se comporta como esperado e os

valores de pressão estão dentro dos exigidos.




Sistema 3

L01 4750

L02 4180

L03 1820

L04 2920

L05 1020

L06 11600

L07 6250

L08 5450

L09 5740

L10 3220

Tabela 12 - Comprimento das tubulações do sistema hidráulico 3 (em mm)



Tabela 13 – Valores de máxima vazão para as bombas do sistema 3


Figura 40 – Modelo AMESim do sistema 3

Figura 41 – Comportamento da pressão do sistema

Nota-se que há uma queda de pressão no sistema que leva à uma pressão

inferior à pressão mínima exigida, o que pode ser explicado pela alta perda de carga


causada pela válvula restritora de vazão que possui orifício de pequeno diâmetro (2,5

mm).

Figura 42 – Modelo AMESim do sistema 3

Figura 43 – Comportamento da pressão do sistema com acumulador


4. Desenvolvimento Projeto 2

Após apresentados os componentes dos sistemas, realizamos uma modelagem

de bomba com reservatório para entender o funcionamento dos modelos da biblioteca

Termo-Hidráulica do AMESim. Através dessa modelagem, compreendemos o

mecanismo de troca de calor entre o fluido e o ambiente externo.

Figura 44 – Modelo para simulação do Reservatório com a bomba Termo-Hidráulica

Os parâmetros modificados, são para conferência da evolução da temperatura

do fluido nas tubulações e o tempo de estabilização do sistema. Os seguintes

parâmetros de simulação foram utilizados:

Figura 45 – Parâmetros de simulação do reservatório


Figura 46 – Parâmetros de simulação do material de troca de calor do reservatório

Figura 47 – Parâmetros de simulação do modelo de convecção


Figura 48 – Parâmetros de simulação da Bomba Hidráulica

Figura 49 – Parâmetros de simulação do motor da Bomba


Figura 50 – Parâmetros de simulação da válvula unidirecional

Como resultado da simulação, temos o seguinte gráfico:

Gráfico 1 – Curva de Temperatura do Sistema x Tempo


Constatamos então, que o Sistema parte da temperatura inicial do projeto,

65°C e aumenta de forma não linear e também não rapidamente conforme tempo de

simulação, até estabilizar em uma temperatura próxima de 125°C.

Conforme a proposta do projeto, a bomba utilizada nessa operação possui um

sistema para coletar o fluido que vaza dos pistões e redireciona para o reservatório

atuando como fonte de calor para a bomba denominado Case Drain. Podemos verificar

esses efeitos com a seguinte configuração na simulação:

Figura 51 – Modelo para simulação do Reservatório com a bomba Termo-Hidráulica e Case Drain

Ao aplicarmos essa configuração ao sistema, temos o seguinte gráfico:

Gráfico 2 – Curva de Temperatura do Sistema x Tempo


Com base no gráfico acima, constatamos que com a aplicação do case drain, a

temperatura do sistema estabiliza a uma temperatura superior ao sistema sem o case

drain, aproximadamente 190°C, e em um tempo menor.

Sistema 1

A figura abaixo demonstra o esquema proposto para o sistema 1.

Figura 52 – Esquema do Sistema 1

Seguindo os parâmetros fornecidos para o projeto, construímos o modelo

AMESim para o esquema anterior, conforme demonstrado na figura abaixo:

Figura 53 – Modelo do Sistema 1


Para realizar a simulação do sistema, utilizamos os seguintes parâmetros:

Figura 54 – Parâmetros de simulação da Bomba Hidráulica

Figura 55 – Parâmetros de simulação do reservatório


Figura 56 – Parâmetros de simulação do material de troca de calor do reservatório

Figura 57 – Parâmetros de simulação do modelo de convecção


Figura 58 – Parâmetros de simulação do modelo de convecção do Case Drain

Figura 59 – Parâmetros de simulação do material de troca de calor do Case Drain


Figura 60 – Parâmetros de simulação da fonte de calor

Figura 61 – Parâmetros de simulação da válvula de alivio

Realizada a simulação, temos as curvas de temperatura do fluido nas

tubulações do sistema. Como no exemplo, podemos constatar a evolução da


temperatura no tempo, onde as curvas possuem uma característica crescente não

linear até o ponto de estabilidade térmica. O gráfico abaixo demonstra a evolução

térmica das tubulações.

Gráfico 3 – Curva de Temperatura do Sistema 1 x Tempo

Como conclusão do gráfico acima apresentado, em algumas tubulações a

temperatura de operação chega a aproximadamente 130°C, excedendo o limite de

operação do fluido hidráulico Skydrol. Para otimizar a operação, elaboramos 3

alternativas no sistema.

Adição de Trocador de Calor

Primeiramente, adicionamos um trocador de calor após o filtro, na linha de

pressão, conforme ilustrado na figura abaixo:


Figura 62 – Modelo do Sistema 1 com trocador de calor após filtro na linha de pressão


Como segunda alternativa, adicionamos um trocador de calor entre o

reservatório e bomba hidráulica, conforme ilustrado na figura abaixo:


Figura 63 – Modelo do Sistema 1 com trocador de calor entre o reservatório e a bomba hidráulica


Na última alternativa, adicionamos um trocador de calor no retorno do

reservatório de fluido hidráulico, conforme ilustrado na figura abaixo:


Figura 64 – Modelo do Sistema 1 com trocador de calor na entrada do reservatório



Conforme análise dos gráficos acima, podemos constatar uma redução da

temperatura máxima de operação em todos os casos, porém ainda possuindo uma

parte do sistema trabalhando acima da temperatura máxima de trabalho do Skydrol

(115°C). Com isso, aplicamos uma alternativa que não implica em aumentar a

quantidade de trocadores de calor, que é o caso da imersão da tubulação hidráulica no

tanque de combustível da aeronave.

Imersão

A imersão da tubulação hidráulica no tanque de combustível tem como

objetivo aumentar a troca de calor do sistema através das paredes dos tubos em

contato com o combustível que se encontra em temperaturas muito baixas em

operação.

A figura abaixo ilustra o sistema na condição submersa no tanque de

combustível.

Figura 65 – Modelo do Sistema 1 com imersão da tubulação hidráulica

A imersão é feita apenas na tubulação das superfícies de controle da asa

principal da aeronave, onde se localiza o tanque de combustível. No gráfico abaixo

podemos verificar o efeito que isso causa nos outros sistemas.



Conforme o gráfico nos mostra, a imersão da tubulação hidráulica das

superfícies de controle das asas principais resultou em uma diminuição da

temperatura de operação das mesmas e se propagou para os outros sistemas

conectados, tornando viável a operação sem exceder o limite do fluido Skydrol.

Sistema 2

Analogamente ao Sistema 1, modelamos o Sistema 2 no software AMESim

conforme a figura abaixo.



Sistema 3

Também como o Sistema 2, modelamos o Sistema 3 no software AMESim

conforme figura abaixo.


Os Sistemas 2 e 3 não foram simulados, apenas modelados.


Conclusão

A utilização de ferramentas de simulação é cada vez mais importante no

desenvolvimento de sistemas e principalmente no desenvolvimento de sistemas

complexos como os sistemas das aeronaves.

Nesse trabalho realizamos diversas simulações e verificamos diferentes

resultados conforme alterávamos os parâmetros de operação e configuração do

sistema. É muito interessante a forma como pequenas mudanças nos parâmetros

causam grandes alterações nos resultados. Verificamos os efeitos da capacidade das

bombas hidráulicas, do uso de acumuladores, e trocadores de calor.

Quanto ao software utilizado, AMESim, sem dúvida seus resultados são bem

detalhados e representa com perfeição, nos milésimos de segundo, os resultados do

sistemas real. Porém no caso desse trabalho, também pelo tempo de contato com o

software, afirmo que não é um software amigável, nada fácil de se operar, uma vez

que não informa onde ocorreram os erros da simulação, as vezes gerando ou

permitindo gerar erros na modelagem. Perde-se muito tempo apenas desenhando o

sistema. Como engenheiro, não indicaria como ferramenta a ser adquirida pela

empresa. Necessita de muitas modificações para se tornar uma ferramenta mais ágil. É

uma ferramenta que causa muito estresse.

Para finalizar, o trabalho foi válido para o entendimento do comportamento

dos sistemas e possíveis construções para a solução de problemas específicos do

sistema.

projeto de sistemas hidráulicos

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